Sürdürülebilir Grafen Üretimi ve Grafenin Otomotiv Sanayisindeki Potansiyeli

16 Eylül 2020

Grafen, iki boyutlu, bir atom kalınlığında, mekanik, elektrik, termal ve optik özellikleri ile bilimde çığır açan bir malzemedir. Eşsiz özelliklerinden dolayı “21. Yüzyılın Malzemesi” olarak tanımlanmaktadır. Grafen tabakalar ilk olarak 2004 yılında Manchester Üniversitesi’nde görev yapan Konstantin Novoselov ve Andre Geim tarafından mikromekanik eksfoliasyon (selobant yöntemi) ile grafitten ayrılmıştır [1]. Bu çalışma 2010 yılında Nobel Fizik Ödülü ile ödüllendirilmiştir. Keşfedilmesinden bu yana grafen, enerji, elektronik, havacılık, otomotiv ve inşaat gibi alanlarda kullanılan polimerler ve polimerik kompozitlerde takviye elemanı olarak büyük bir potansiyel gösterdiği için grafen bazlı ürünlerin ticarileştirilmesine olan ilgi artmaktadır.

Kompozit malzemelerin mekanik performans, alev geciktirme, termal ve elektriksel iletkenlik özellikleri üzerinde grafenin büyük etkisi vardır. Fazla yüzey alanı ve güçlü arayüzey etkileşimleri sayesinde polimerik matrisi içerisinde daha iyi yük aktarımı sağlamasından dolayı ideal bir katkı malzemesidir. Az miktarda grafen kullanımı ile (ağırlıkça %1’den az), termoset ve termoplastik esaslı kompozitlerin performansında önemli bir iyileşme sağlanabilmektedir. Grafenin ticarileştirilmesindeki en büyük bariyer yüksek ölçekte üretim ve yüksek üretim maliyetidir. Grafen kapasitesini artırmak ve pazarın ihtiyaçlarını karşılamak için birçok girişim bulunmaktadır.

Atık Lastikten Grafen Üretimi

Grafen üretim yöntemlerine bakıldığında yaygın olarak üç teknik kullanılmaktadır: Ark plazma, kimyasal buhar biriktirme (CVD) ve kimyasal eksfoliasyon. Bu yöntemler arasında CVD tekniği ile yüzey alanı fazla ve hatasız grafen üretimi, yüksek maliyetlerde yapılabilmektedir. CVD grafen, yaygın elektronik ve fotonik uygulamalarda kullanılmaktadır. Kimyasal eksfoliyasyon tekniği ise büyük miktarlarda yığın halinde grafen üretiminin yapılmasını sağlamaktadır (Şekil 1’de grafitten üretilen grafen tabakaların elektron mikroskopu görüntüsü verilmiştir).

Maliyet ve üretim kapasitesi ele alındığında kimyasal eksfoliasyon tekniği avantaj getirmektedir. Kimyasal eksfoliasyon tekniğinde grafitin yapısındaki grafen tabakalar arasındaki bağları kırmak ve tabakalar arasını açmak güçlü oksidantlar kullanılarak mümkün olmaktadır [2, 3]. Ayrıca, oksidasyon sırasında kullanılan güçlü oksitleyiciler (potasyum permanganat ve sülfürik asit) hem prosesi zorlaştırmakta hem de patlama riski taşımaktadır [4] ve uzun üretim ve saflaştırma süreleri maliyeti de yükseltmektedir. Bu yüzden grafen üretiminde de alternatif yöntemlere yönelim başlamıştır.

Şekil 1. Grafen nanotabakalarının elektron mikroskobu görüntüsü

 

Grafenin sentezinde kullanılan grafit yerine, lignoselülozik biyokütle ya da oksijenden zengin prekürsörlerden üretilen kömürler kullanılarak laboratuvar ölçekte çeşitli çalışmalar bulunmaktadır. Atıklardan çevre dostu, sürdürülebilir ve etkin maliyette katma değeri yüksek nanomalzeme üretimini mümkün kılmaktadır. Bu bağlamda 2013 yılında Sabancı Üniversitesi ve TÜBİTAK Teknogirişim Sermayesi Desteği Programı (BiGG) (1512) desteği ile kurulan Nanografen firması sürdürülebilir kaynaklardan çevreci grafen üretim çalışmaları yapmaya başlamıştır. Nanografen atık lastiklerin pirolizinden elde edilen karbon siyahını geliştirdiği ileri dönüşüm tekniği ile grafen nanotabakalara dönüştürmektedir. Ayrıca, Gan Piroliz Tesisi ile kurduğu ortaklık ile 6 tonluk üretim kapasitesine sahip üretim hattı da kurmuştur. Bu tesis özellikle ülkemizde gün geçtikçe artan atık sorununa bir çözüm getirerek katma değeri yüksek ürünlerin üretiminin de önü açmaktadır ve bu alanda dünyada bir ilke öncülük etmektedir.

Grafen Pazarı: Grafen, 2015’ten bu yana %42,8’lik büyüme oranıyla şu anda pazarda en hızlı büyüyen nanomalzemelerden biridir. Bu oranın 2020’ye kadar sabit kalması ve böylece yaklaşık 234 milyon Avro değerinde bir pazar fırsatı yaratması bekleniyor [5]. Grafen talebinin yıllık olarak artarak 2022’ye kadar 1.321,1 tona ulaşacağı tahmin edilmektedir. Pazar büyüklüğünün 2025 yılına kadar 445 milyon Avro’ya çıkması beklenmektedir. Grafen pazarında otomotiv uygulamaları çok küçük bir paya sahiptir.

Hafif Araçlara Olan Talep: Otomotiv sektörü, kentsel alanlardaki kirlilik ve sera gazı emisyonlarının başlıca kaynağı olan küresel enerji talebinin yaklaşık üçte birini oluşturmaktadır. Bu noktada, hafif araç tasarımı, olumsuz çevresel etkileri azaltırken yakıt verimliliğini ve araç performansını iyileştirmenin anahtarıdır. Avrupa Birliği’nde otoriteler tarafından alınan kararlar doğrultusunda 2050 yılına kadar CO2 emisyonlarını 75 g/km’ye azaltarak, rekabetçi düşük karbon ekonomisine geçilmesi hedeflemektedir.

Yeni nesil araçlarda iç ve dış donanımında kullanılan kompozit parçalarla aracın hafifletilmesi sağlanarak yakıt tüketimi azaltılmaktadır. Araçlarda karbon/cam elyaf takviyeli kompozitler gibi malzemelerin kullanılması ile ağırlığın büyük ölçüde azalması sağlanmaktadır. Halihazırda kullanılan elyaf takviyeli kompozitler, çeliğe kıyasla %50-60 oranında hafifleme, imalat kolaylığı, tasarım esnekliği, işleme maliyetlerinde azalma ve daha iyi mekanik ve korozyon direnci gibi avantajlar sundukları için otomotiv endüstrisi tarafından benimsenmiştir. 2013 yılında BMW, şehir içinde kullanılması için üretilen elektrikli i3 modeline karbon fiber kompozitleri ekleyerek otomotiv üretiminde büyük bir değişiklik başlatan ilk şirket olmuştur. Ancak, karbon fiberin yüksek maliyetinden ötürü araç üreticileri halen maliyet, güvenlik, risk, ağırlık, pazar büyüklüğü ve araç emisyonu üzerinde istenen etkiye sahip olacak malzeme arayışına devam etmektedir.

Grafen, kompozitin yapısal bütünlüğünü korurken aynı zamanda mekanik, elektriksel ve termal özellikleri iyileştirerek ağırlığını azaltma konusunda büyük bir potansiyele sahiptir. Grafen esaslı polimer kompozitlerin, çok fonksiyonlu yapısal malzeme olarak kullanımının otomotiv sektöründe büyük etki yaratma potansiyeli bulunmaktadır. Hafif araçlara yönelik gelecekte beklenen talep göz önüne alındığında, otomotiv endüstrisinin çeşitli uygulamalarında grafenle modifiye edilmiş polimerik kompozit malzemelerin en yüksek kullanıcısı olması da beklenmektedir.

Son zamanlarda otomotiv devi Ford, 2018’de Mustang ve F-150’den başlayarak araçlarında grafen parçaları kullanmaya başlayacağını duyurdu [6]. Ford ve ortakları, motorların önündeki yakıt rayı, pompalar, kayış tahrikli kasnaklar ve zincir tahrikli dişliler gibi gürültülü bileşenler için grafen takviyeli köpük kapakları test etti. Bu testlerde, grafen takviyeli parçalar %17 daha sessiz, %20 daha güçlü ve %30 daha fazla ısıya dayanıklı olarak daha iyi bir performans göstermiş olduğunu belirttiler. Grafenin otomotiv üretiminde kullanılması, nano entegre parçaların ticarileştirilmesinin önünü açtığı için sektörde yeni bir dönemin kapısı da açılmıştır. Bununla birlikte, Ford tarafında ticarileştirilen parçaların matrisi termoset esaslıdır. Grafen halen termoplastik komodite ürünlerde yüksek maliyetten ötürü kullanılamamaktadır.

Grand View Research şirketinin yeni raporuna göre, Türkiye’nin otomotiv plastik kompaund pazarının 2025 yılına kadar 390,8 milyon ABD Doları değerine ulaşması bekleniyor. Hacim olarak, 2015 yılında 102,39 kilo ton olduğu tahmin edilen bu pazarın, 2025 yılına kadar 183,80 tona ulaşacağı öngörülmektedir. Özellikle grafenin plastik malzeme pazarında kullanılma potansiyeli değerlendirildiğinde çok büyük bir pazar oluşturacağı görülmektedir. Bununla beraber, grafen sadece yapısal parçalarda değil araçta çeşitli iç ve dış bölümlerde kullanım potansiyeli bulunmaktadır (Şekil 2) [7].

Şekil 2. Grafen esaslı potansiyel otomotiv uygulamaları

 

2017 Otomotiv Sektörünün “Türkiye Otomotiv Sanayii Rekabet Gücü ve Talep Dinamikleri Perspektifinde 2020 İç Pazar Beklentileri” raporunda, Türkiye otomotiv ana sanayisi, diğer otomotiv üreticisi ülkelere göre otomobil segmentinde karşılaştırmalı üstünlüğe, kamyon ve otobüs segmentlerinde ise yüksek düzeyde rekabet gücüne sahip olduğu belirtilmiştir. Türkiye’nin toplam taşıt araçları üretimi (traktör hariç) 2000 yılındaki 431 bin adet seviyesinden 2015 yılında 1 milyon 359 bin adet seviyesine yükselmiş, söz konusu 16 yıllık dönemdeki ortalama üretim büyüme oranı %12,7 seviyesinde gerçekleşmiştir. 2015 yılında Türkiye taşıt araçları üretimi sıralamasında Avrupa’da 5., dünyada ise 15. sırada yer almaktadır. Bununla birlikte Türkiye, Avrupa’nın en büyük ticari araç üreticisidir. Bu yüzden bu alanda yapılacak inovatif yaklaşımlar pazarda rekabet gücümüzü artıracaktır. Ayrıca, Türkiye’nin otomotiv sektörünün, Avrupa otomotiv sektöründeki yavaşlama ve durgunluğa rağmen yakın gelecekte muazzam bir büyümeye tanık olması beklenmektedir.

Yaşam Döngüsü ve Döngüsel Ekonomi: Hafifletme çalışmaları, otomotiv sektörünün karbon ayak izinin azaltılmasında önemli bir etkiye sahiptir. Yaşam Döngüsü Değerlendirmesi, bir ürünün veya hizmet sisteminin çevresel yönlerinin, yaşam döngüsünün tüm aşamaları boyunca, hammaddelerin satın alınmasından, üretim, kullanım, nihai işlemden ve sistematik olarak değerlendirilmesi için “beşikten mezara” yaklaşımı ile kullanılan bir yöntemdir. Bu yöntem, malzeme geliştirmeden üretime kadar olan süreçte oluşabilecek olumsuz çevresel etkileri minimuma indirgemek için faydalı bir araçtır. Yaşam Döngüsü Analizi çalışmalarında elde edilen çıktılar, ana üreticiler (OEM), tedarikçiler, geri dönüşümcüler ve son kullanıcılar dahil olmak üzere değer zinciri boyunca tüm paydaşların yararına olacaktır. Bu tür bir yöntemle, gerçekçi kavramları tespit etmek ve teknolojik ürünlerin döngüsel ekonomisinin uygulamalarını incelemek mümkün olacaktır.

Grafenin Diğer Potansiyel Uygulamaları: Sonuç olarak, grafen tabakaların kompozit matrise entegrasyonu yoluyla güvenilir ve dayanıklı kompozit üretimi yapmak mümkündür. Hafifletilmiş grafen takviyeli kompozitler, grafenin mekanik özellikleri esneklik açısından avantajlı olduğu için uçak gövdelerinde (özellikle kanatlarda) kullanımı için de büyük umut vaat etmektedir. Kompozit uygulamalarda sağladığı kazançların yanı sıra grafen, sağlık, tıp, sensörler, enerji, elektronik ve fotonik gibi çeşitli alanlarda yeni bir pazar potansiyeli oluşturmaktadır. Örneğin, grafen bazlı fotovoltaikler uçak gövdesine entegre edilebilir ve böylece doğrudan güneş enerjisinden bir akım sağlanabilir. Enerji alanında ise bilgi ekranlarında şeffaf organik ışık yayan diyotlar (OLED) kullanılmaktadır. Ayrıca, pillerde elektrot malzemesi olarak grafenin kullanılması, daha yüksek güç yoğunluğu, daha uzun ömür ve daha fazla geri dönüştürülebilirlik sağlayacaktır. Şekil 3’te grafenin entegre edilebileceği uygulama alanları özetlenmiştir. Yakın gelecekte, grafen esaslı ürünlerinin sadece laboratuvarda değil, endüstriyel ölçekte üretildiğini görmeyi bekliyoruz.

Şekil 3.Grafenin uygulama alanları

 

Kaynaklar: [1] Novoselov, K. S., Geim, A. K., Morozov, S. V., Jiang, D., Zhang, Y., Dubonos, S. V., Grigorieva, I. V., Firsov, A. A., 2004. “Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films”, Science, 306, 666-669. [2] Saner, B., Okyay, F., Yürüm, Y. 2010. “Utilization of Multiple Graphene Layers in Fuel Cells. 1. An Improved Technique For the Exfoliation of Graphene-based Nanosheets from Graphite”, Fuel, 89(8), 1903-1910. [3] Saner. B., Dinç, F., Yürüm, Y., 2011. “Utilization of Multiple Graphene Nanosheets in Fuel Cells: 2. The Effect of Oxidation Process on the Characteristics of Graphene Nanosheets”, Fuel, 90(8), 2609-2616. [4] Hummers, W. S., Offeman, R. E. 1958. “Preparation of Graphitic Oxide”, Journal of American Chemical Society, 80(6), 1339-1339.
[5] Global Graphene-enhanced Composites Market- Analysis & Forecast (2018-2023) [6] https://www.compositesworld.com/articles/ford-to-integrate-graphene-enhanced-parts-into-its-vehicles [7]https://www.streetinsider.com/SEC+Filings/Form+POS+AM+XG+SCIENCES+INC/14264638.html

 

 

 

Doç. Dr. Burcu Saner Okan

Kurucu Ortak
Nanografen Nanoteknolojik Ürünler Kimya Ar-Ge Danışmanlık San. ve Tic. Ltd. Şti.
Araştırmacı
Sabancı Üniversitesi Tümleştirilmiş Üretim Teknolojileri Araştırma ve Uygulama Merkezi